Development of a Coupled Eulerian-Lagrangian Finite Element Model for Dissimilar Friction Stir Welding

Coupled Eulerian-Lagrangian기법을 이용한 이종 마찰교반용접 해석모델 개발

Abstract

This study aims to develop a FE Model to simulate dissimilar friction stir welding and to address its potential for fundamental analysis and practical applications. The FE model is based on Coupled Eulerian-Lagrangian approach. Multiphysics systems are calculated using explicit time integration algorithm, and heat generations by friction and inelastic heat conversion as well as heat transfer through the bottom surface are included. Using the developed model, friction stir welding between an Al6061T6 plate and an AZ61 plate were simulated. Three simulations are carried out varying the welding parameters. The model is capable of predicting the temperature and plastic strain fields and the distribution of void. The simulation results showed that temperature was generally greater in Mg plates and that, as a rotation speed increase, not the maximum temperature of Mg plate increased, but did the temperature of Al plate. In addition, the model could predict flash defects, however, the prediction of void near the welding tool was not satisfactory. Since the model includes the complex physics closely occurring during FSW, the model possibly analyze a lot of phenomena hard to discovered by experiments. However, practical applications may be limited due to huge simulation time.

본 연구에서는 이종경량재료의 마찰교반용접을 모사할 수 있는 유한요소 해석모델을 개발하고, 이를 통해 기초분석과 실용적 적용 가능성에 대해 고찰하였다. Coupled Eulerian Lagrangian 에 기반한 유한요소모델을 구성하였으며, 해석 모델은 외연적 시간적분을 이용하여 열-온도, 변위-응력 물리계로 이루어진 다중 물리계를 복합적으로 계산하며, 용접툴 표면과 피용접 재료 간 마찰, 극심한 소성변형으로 인한 열에너지 발생, 그리고, 밑면을 통한 열에너지 소산 등 열발생원과 열전달 메카니즘이 모두 고려되었다. Al6061T6와 AZ61 판재의 맞대기용접을 고려하였으며, 주요 용접변수인 용접 속도와 용접툴 회전속도를 변화시킨 세 가지 조건에 대해 해석을 실시하였다. 각 해석은 피용접물의 온도분포, 결함의 분포, 소성변형률 분포가 출력이 가능하였다. 구축한 모델을 이용한 해석 결과 알루미늄보다는 마그네슘부에서 더 높은 온도가 발생하였으며, 회전속도가 커질수록 최대 온도가 증가하기보다는 알루미늄쪽으로 높은 온도가 분산되어 가는 경향을 보였다. 또한, 회전속도가 커질수록 피용접물 재료가 위로 올라오는 플래시 결함의 경향 예측이 가능하였으나, 툴 주변 결함 형성예측은 메시가 세밀하지 못하여 정확한 결과를 산출하기에는 부족하다고 볼 수 있다. 본 모델은 마찰교반용접 중 발생 가능한 여러 물리계의 여러 물리적 현상을 실제에 가깝게 반영하고 있으며, 실험적으로 밝히기 어려운 기초 분석에 응용될 수 있으나, 1달이 넘는 해석소요시간을 감안하면 실용적으로 최적의 용접조건 도출에 응용되기는 어렵다고 판단된다.

Fig. 1. Schematic Diagram of Friction Stir Welding

Fig. 2. Tool geometry and its dimension

Fig. 3. FSW process for FE model construction

Fig. 4. FE model construction

Fig. 5. Results of Simulation #1

Fig. 6. Results of Simulation #2

Fig. 7. Results of Simulation #3

Table 1. FE model lists

Table 2. Johnson-Cook material parameters for AZ61[11] and Al6061T6 [8].